基于多源衛(wèi)星融合資料的中國近海海洋鋒檢測研究

施英妮，張根生，張春華，易 欣，劉洪偉，李 冰

（北京5111 信箱，北京 100094）

引言

海洋鋒作為海洋學(xué)重要的中尺度現(xiàn)象，影響涉及天氣變化、水聲傳輸、海洋漁業(yè)等諸多方面：海洋鋒區(qū)所在海域，熱量、動量和水汽等的海氣相互作用活動豐富，對天氣變化影響很大，是海上風(fēng)暴的爆發(fā)區(qū)；海洋鋒強烈影響水聲傳輸，聲波在通過鋒區(qū)時將產(chǎn)生不同程度的折射或反射，使能量損失增大，對導(dǎo)彈、魚雷、雷達(dá)和聲納等武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使用效能發(fā)揮產(chǎn)生顯著的影響，潛艇戰(zhàn)和反潛艇戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用，迫切需要獲取準(zhǔn)確的海洋鋒信息[1-3]；海洋鋒區(qū)的浮游植物較聚集，初級生產(chǎn)力高，漁獲量明顯高于其它海區(qū)，是主要漁場所在。因此，海洋鋒研究一直是海洋學(xué)研究中的一個重要領(lǐng)域，且具有可觀的研究前景。

中國近海自北向南包括渤海、黃海、東海及南海，四海相連，構(gòu)成一個弧狀分布，環(huán)繞亞洲大陸的東南部。中國近海在河流徑流、海底地形、季風(fēng)以及海面熱通量的相互作用下，環(huán)流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生了物理特性相對獨立的各種水團(tuán)，為中國近海海洋鋒面的形成和發(fā)展提供有利條件。目前關(guān)于中國近海海洋鋒面的研究大部分都是基于海面溫度數(shù)據(jù)，但中國近海海域海面溫度季節(jié)性變化顯著，尤其是夏季受太陽輻射影響表層海水增溫明顯，海面溫度梯度的差異降低，從而使得用遙感海面溫度鋒判定海洋鋒的方法失效。而各種水團(tuán)具有的生物光學(xué)特性往往是不相同的，且受太陽輻射影響較小，因此衛(wèi)星海色遙感資料可作為研究海洋鋒的有效依據(jù)[4]。

本文基于多源衛(wèi)星融合資料，利用梯度檢測算法對中國近海海域進(jìn)行海洋鋒研究，結(jié)合海面溫度和藍(lán)綠波段遙感反射率比值的季節(jié)變換規(guī)律，利用不同季節(jié)適用的不同梯度檢測閾值，獲取中國近海的海溫鋒和海色鋒分布規(guī)律?？梢酝ㄟ^海溫鋒和海色鋒互補，實現(xiàn)對中國近海鋒面更全面的檢測。

1 海洋鋒檢測算法

本文所用的多源海面溫度融合數(shù)據(jù)，為歐空局海洋環(huán)境監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)MYOCEAN 提供的全球網(wǎng)格化近實時海面溫度數(shù)據(jù)OSTIA[5]。該數(shù)據(jù)集利用最優(yōu)插值方法融合的多顆NOAA/AVHRR、SEVIRI 和AATSR 紅外傳感器海面溫度數(shù)據(jù)、TMI 和AMSR 微波傳感器海面溫度數(shù)據(jù)以及實測數(shù)據(jù)，產(chǎn)品時間分辨率為1d，空間分辨率為5 km。多源衛(wèi)星海色融合數(shù)據(jù)為美國NASA的OCEANCOLOR 網(wǎng)站提供的遙感反射率融合數(shù)據(jù)集[6]，該數(shù)據(jù)集利用最優(yōu)插值方法融合了ENVISAT/MERIS、AQUA/MODIS和NPP/VIIRS 等多顆衛(wèi)星傳感器的數(shù)據(jù)，產(chǎn)品時間分辨率1d，空間分辨率為9 km。

本文檢測中國近海海洋鋒面采用梯度算法。梯度算法被廣泛應(yīng)用于海洋鋒的識別研究中[7]，主要由預(yù)處理、梯度計算、梯度閾值選擇和鋒面提取等部分組成，流程如圖1 所示。

①預(yù)處理

預(yù)處理主要減少噪聲對鋒面提取影響，采用中值濾波方法濾除數(shù)據(jù)的噪聲，同時保持圖像數(shù)據(jù)中的邊緣信息。本文采用3×3 窗口對圖像進(jìn)行中值濾波，對于海陸邊緣像素，如果3×3 窗口內(nèi)不存在空值，則對該像素進(jìn)行中值濾波，否則保留原像素值，不進(jìn)行任何處理。

② 梯度計算

梯度算法中鋒面梯度的計算公式為：

利用Sobel 算子計算梯度[8]，其中水平梯度計算公式為：

垂直梯度計算公式為：

式中，T表示要鋒面計算的像素點為中心的3×3 數(shù)據(jù)矩陣。

③梯度閾值選擇

海洋鋒梯度檢測算法中，梯度閾值的不同選擇會影響海洋鋒檢測結(jié)果，不同研究者采用的梯度閾值標(biāo)準(zhǔn)不同，得到的鋒面檢測結(jié)果會存在一些差異[9,10]。目前，關(guān)于中國近海海洋鋒的判別，沒有一致的梯度閾值標(biāo)準(zhǔn)。中國近海海洋鋒面有強有弱，弱的鋒面會對比較高的梯度閾值不敏感，因此在研究具體鋒面時需要根據(jù)情況調(diào)整梯度閾值的大小。本文針對中國近海沿岸鋒、陸架鋒和陸坡鋒三種不同類型海洋鋒，按冬季、春季、夏季和秋季劃分，分別選取1 月、4 月、7 月、10 月，作為四個季節(jié)的代表月份處理。海面溫度選取0.01～0.06 ℃ km-1進(jìn)行比較作為梯度閾值獲得鋒面月頻率分布圖，藍(lán)綠波段遙感反射率比值選取0.002～0.007 km-1進(jìn)行比較作為梯度閾值獲得鋒面月頻率分布圖，從保持鋒面的完整性及對零碎鋒區(qū)的剔除效應(yīng)選擇出合適的梯度閾值。本文在不同季節(jié)采用的梯度閾值如表1 所示。

表1 中國近海海洋鋒梯度閾值Table 1 Gradient threshold of ocean front of China coastal waters

④ 每日鋒面提取

通過上述步驟1～3，利用Sobel 算子計算研究范圍內(nèi)各點的梯度變化，針對不同區(qū)域不同季節(jié)采用表1 所示梯度閾值作為判別海洋鋒的標(biāo)準(zhǔn)，大于閾值判斷為海洋鋒區(qū)域，小于閾值判斷為非海洋鋒區(qū)域，從而得到每天的海洋鋒檢測結(jié)果，以海面溫度日融合產(chǎn)品為例，得到海溫鋒日檢測結(jié)果如圖2 所示。

⑤ 每月鋒面頻率統(tǒng)計

以月為周期，統(tǒng)計海洋鋒出現(xiàn)頻率結(jié)果，該點出現(xiàn)鋒面天數(shù)與參與計算月份有效天數(shù)之比即為某點海洋鋒出現(xiàn)頻率。本文采用出現(xiàn)頻率大于40%確定為海洋鋒的區(qū)域，如圖3 所示。

2 中國近海海洋鋒檢測結(jié)果與討論

目前，通過梳理前人的研究成果得到中國近海主要鋒面分布為：渤海主要存在渤海沿岸鋒和渤海海峽鋒[11]；黃海鋒面比較豐富，主要存在山東半島鋒、朝鮮半島西岸鋒（包括西朝鮮灣鋒和江華灣鋒）、濟(jì)州島西岸鋒和濟(jì)州島東岸鋒[9,12]；東海水文狀況非常復(fù)雜，海洋鋒也較豐富，主要有江蘇沿岸鋒、長江口環(huán)狀鋒、黑潮鋒、浙閩沿岸鋒[13,14]；南海北部主要存在臺灣淺灘鋒、廣東沿岸鋒、珠江口近岸鋒、海南島東部沿岸鋒、北部灣鋒、黑潮入侵鋒[15]；南海中部和南部海區(qū)主要存在南海中部溫鹽鋒和越南東部沿岸的海洋鋒。

利用本文提出的海洋鋒檢測算法和檢測閾值，得到的2020 年中國近海典型月份海溫鋒面結(jié)果如圖3左側(cè)圖所示，同時間同區(qū)域的多源衛(wèi)星海色融合數(shù)據(jù)檢測的鋒面結(jié)果如圖3 右側(cè)圖所示。

從表2的檢測結(jié)果看，渤海海域的海溫鋒，冬季鋒區(qū)大體分布在遼東灣的邊緣，鋒面緊貼岸界，海峽鋒明顯；春季，遼東灣海溫鋒部分消失，僅渤海的南岸沿岸鋒存在，鋒區(qū)沿岸分布，形狀不規(guī)則；夏季鋒區(qū)主要存在于遼東灣灣底和渤海南部，海峽鋒明顯；秋季基本沒有鋒面出現(xiàn)。渤海海域無法檢測到穩(wěn)定的海色鋒，這主要是因為渤海屬于水深較淺（平均水深18 m）海域，海水對流混合可達(dá)海底，海色鋒梯度不明顯。

黃東海海域，從溫度鋒結(jié)果看，冬季鋒面豐富，形狀規(guī)則，位置較為固定；春季山東半島鋒、江蘇沿岸鋒消失，浙閩沿岸鋒南縮，長江口環(huán)狀鋒范圍縮小和黑潮鋒相連，朝鮮半島西岸鋒和濟(jì)州島西岸鋒也減弱；夏季水溫分布較均勻，中國近海海洋鋒只有零星區(qū)域存在，至秋季10 月份，中國近岸鋒面較少，僅濟(jì)州島東岸和浙閩沿岸存在少量鋒區(qū)。冬季海色鋒不如海溫鋒檢測結(jié)果豐富明顯，只較為完整地檢測到了黑潮鋒、浙閩沿岸鋒和濟(jì)州島東岸鋒；春季朝鮮半島周邊海域的海色鋒、黑潮鋒和浙閩沿岸鋒檢測較為完整，長江口環(huán)狀鋒幾乎消失；夏季，除了濟(jì)州島近岸鋒和長江口環(huán)狀鋒只有部分被檢測到，其它鋒區(qū)都在海色鋒結(jié)果上表現(xiàn)明顯，特別是中國近岸的山東半島鋒、江蘇沿岸鋒和浙閩沿岸鋒檢測結(jié)果較完整；秋季和夏季情況類似。

南海海域，海溫鋒檢測結(jié)果中，冬季可以檢測到廣東沿岸鋒、珠江口近岸鋒、北部灣鋒和越南沿岸鋒；其它季節(jié)由于海面溫度差異不明顯，幾乎檢測不到鋒區(qū)。在海色鋒檢測結(jié)果中，四個季節(jié)均能明顯檢測出沿岸鋒。

根據(jù)全年檢測結(jié)果，總結(jié)利用海面溫度和海色數(shù)據(jù)明顯檢測到各海洋鋒的月份如表2 所示。中國近海海溫鋒面在11 月至次年5 月較明顯，其他月份鋒面較弱或完全消失。海色鋒面中除了渤海海域、長江口及南海中部等區(qū)域無固定鋒面外，其它海域海色鋒較明顯，像東海黑潮區(qū)、臺灣淺灘區(qū)及南海海域沿岸等海域常年可以檢測到海色鋒。

表2 中國近海2020 年海溫鋒面和海色鋒面明顯存在月份對比Table 2 Contrast between SST front and sea color front of China coastal waters in 2020

3 結(jié)束語

本文基于多源衛(wèi)星傳感器海面溫度和海色融合數(shù)據(jù)，針對中國近海近岸鋒、陸架鋒和陸坡鋒三類海洋鋒，利用不同季節(jié)適用的不同梯度檢測閾值獲取中國近海的海溫鋒和海色鋒分布規(guī)律，海溫鋒面冬春季比較明顯，夏秋季消失。海色鋒除了在渤海海域、長江口及南海中部區(qū)域無固定反映外，其它海域可以通過藍(lán)綠波段遙感反射率比值檢測到海色鋒，像東海黑潮區(qū)域、臺灣淺灘區(qū)及南海海域沿岸區(qū)可常年檢測到海色鋒。通過海溫鋒和海色鋒檢測互補可實現(xiàn)對中國近海鋒面更全面的監(jiān)測。